KR20140071394A - Production of polycrystalline silicon by the thermal decomposition of silane in a fluidized bed reactor - Google Patents
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Abstract
본원에서는 실란의 열 분해에 의한 다결정 실리콘의 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 방법은 일반적으로, 통상적인 제조 방법에 비해 높은 비율의 생산성을 제공하는 반응 조건에서 작동되는 유동층 반응기에서의 실란의 열 분해를 포함한다.A method for producing polycrystalline silicon by thermal decomposition of silane is disclosed herein. The process of the present invention generally involves thermal cracking of the silane in a fluidized bed reactor operated at reaction conditions which provides a higher rate of productivity than conventional processes.
Description
관련 출원의 상호 참조Cross reference of related application
본원은, 전문이 본원에 참고로 도입되는, 2011년 9월 30일자로 출원된 미국 가출원 번호 61/541,644의 이익을 청구한다.This application claims benefit of U.S. Provisional Application No. 61 / 541,644 filed on September 30, 2011, the disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety.
배경기술Background technology
본 개시내용의 분야는, 실란(silane)을 열 분해함으로써 다결정 실리콘(polycrystalline silicon)을 제조하는 방법, 또한 특히 통상적인 제조 방법에 비해 높은 비율의 생산성을 제공하는 반응 조건에서 작동되는 유동층 반응기에서의 실란의 열 분해를 포함하는 방법에 관한 것이다.Field of the present disclosure relates to a process for producing polycrystalline silicon by thermal decomposition of silanes and to a process for the production of polycrystalline silicon in a fluidized bed reactor operating at a reaction condition which provides a higher rate of productivity, Lt; RTI ID = 0.0 > thermal < / RTI >
다결정 실리콘은, 예를 들어, 집적 회로 및 광전지 (즉, 태양 전지)를 포함한 많은 상업적 생성물을 제조하는 데 사용되는 필수적 원료이다. 다결정 실리콘은 종종, 실리콘을 유동층 반응기에서 열 분해가능한 실리콘 화합물로부터 실리콘 입자 상에 피착(deposit)시키는 화학 증착 메커니즘에 의해 제조된다. 시드 입자는, 이들이 다결정 실리콘 생성물 (즉, "과립" 다결정 실리콘)로서 반응기로부터 배출될 때까지 계속적으로 크기가 성장한다. 적합한 분해가능한 실리콘 화합물은, 예를 들어, 실란 및 할로실란(halosilanes), 예컨대 디클로로실란(dichlorosilane) 및 트리클로로실란(trichlorosilane)을 포함한다.Polycrystalline silicon is an essential raw material used to make many commercial products including, for example, integrated circuits and photovoltaic cells (i.e., solar cells). Polycrystalline silicon is often produced by a chemical vapor deposition mechanism that deposits silicon on silicon particles from a thermally decomposable silicon compound in a fluidized bed reactor. The seed particles continue to grow in size until they are discharged from the reactor as a polycrystalline silicon product (i.e., "granule" polycrystalline silicon). Suitable resolvable silicone compounds include, for example, silanes and halosilanes such as dichlorosilane and trichlorosilane.
많은 유동층 반응기 시스템에서는, 또한 특히 다결정 실리콘 제조 시스템에서와 같이 유체 상으로부터의 물질이 화학적으로 분해되어 고체 물질을 형성하는 시스템에서는, 고체 물질이 반응기의 벽 상에 피착될 수 있다. 벽 피착물은 종종 반응기 기하구조를 변경시키고, 이는 반응기 성능을 저하시킬 수 있다. 또한, 벽 피착물의 일부는 반응기 벽으로부터 이탈되어 반응기 저부로 강하될 수 있다. 종종 반응기 시스템은 이탈된 피착물을 제거하기 위해 중단되어야 한다. 조기의 반응기 중단을 막기 위해, 피착물이 반응기 벽으로부터 주기적으로 에칭되어야 하고, 반응기가 세정되어야 하고, 이로써 반응기의 생산성이 저하된다. 에칭 작업은, 열 충격 또는 열 팽창 또는 수축 차이로 인한 반응기 시스템에 대한 응력을 유발할 수 있고, 이는 반응기 벽의 균열을 초래할 수 있으며, 이는 유닛의 재구성을 필요로 한다. 이들 문제는 특히, 다결정 실리콘의 제조에서 사용되는 유동층 반응기 시스템에서 극심하다. 반응기 벽 상의 고체 피착을 감소시키기 위한 이전의 노력은 반응기 생산성의 손실 (즉, 실란으로부터 다결정 실리콘으로의 낮은 전환율)을 초래하였고, 이는 통상적인 방법과 동일한 생산성을 달성하기 위해 비교적 더 큰 반응 대역을 포함한다.In many fluidized bed reactor systems, and particularly in systems where the material from the fluid phase is chemically decomposed to form a solid material, such as in a polycrystalline silicon production system, the solid material may be deposited on the walls of the reactor. Wall adducts often alter the reactor geometry, which can degrade reactor performance. Also, a portion of the wall deposit can be released from the reactor wall and dropped to the bottom of the reactor. Often, the reactor system must be stopped to remove the adhered material. To prevent premature reactor breakdown, the adherends must be periodically etched from the reactor walls and the reactor must be cleaned, thereby reducing the productivity of the reactor. The etching operation can cause stresses to the reactor system due to thermal shock or thermal expansion or shrinkage difference, which can lead to cracking of the reactor walls, which requires reconstruction of the unit. These problems are particularly acute in fluid bed reactor systems used in the production of polycrystalline silicon. Previous efforts to reduce solid deposition on the reactor walls have resulted in a loss of reactor productivity (i. E., A low conversion of silane to polycrystalline silicon), which results in a relatively larger reaction zone to achieve the same productivity as conventional processes .
따라서, 반응기 상의 피착물의 양을 제한하거나 감소시키지만 통상적인 방법에 비해 향상된 생산성을 제공하는 다결정 실리콘의 제조 방법에 대한 계속적 필요성이 존재한다.Thus, there is a continuing need for a method of making polycrystalline silicon that limits or reduces the amount of deposits on the reactor but provides improved productivity over conventional methods.
요약summary
본 개시내용의 하나의 측면은 반응 챔버를 갖는 유동층 반응기에서의 실란의 열 분해에 의한 다결정 실리콘의 제조 방법에 관한 것이다. 반응 챔버는 코어 영역, 주변 영역 및 공급 기체가 통과하는 단면을 갖는다. 유동층 반응기는 반응 챔버 단면 1 제곱 미터 당 적어도 약 100 kg/hr의 다결정 실리콘을 생성한다. 실란을 함유하는 제1 공급 기체는 반응 챔버의 코어 영역 내로 도입된다. 반응 챔버는 실리콘 입자를 함유하고, 제1 공급 기체는 약 80 부피% 미만의 실란을 함유한다. 실란은 반응 챔버 내에서 열 분해되어 실리콘 입자 상에 상당량의 실리콘을 피착시킨다. 제2 공급 기체는 반응 챔버의 주변 영역 내로 도입된다. 제1 공급 기체 중 실란의 농도는 제2 공급 기체 중에서의 농도를 초과한다. 반응 챔버 내로 공급되는 공급 기체 중 실란의 전체 농도는 약 15 부피% 미만이다. 반응 챔버 내의 압력은 적어도 약 3 bar 이다.One aspect of the disclosure is directed to a method of making polycrystalline silicon by thermal decomposition of silane in a fluidized bed reactor having a reaction chamber. The reaction chamber has a cross section through which the core region, the peripheral region and the feed gas pass. The fluidized bed reactor produces at least about 100 kg / hr of polycrystalline silicon per square meter of reaction chamber cross-section. A first feed gas containing silane is introduced into the core region of the reaction chamber. The reaction chamber contains silicon particles and the first feed gas contains less than about 80 vol% silane. The silane is thermally decomposed in the reaction chamber to deposit a significant amount of silicon on the silicon particles. A second feed gas is introduced into the peripheral region of the reaction chamber. The concentration of silane in the first feed gas exceeds the concentration in the second feed gas. The total concentration of silane in the feed gas fed into the reaction chamber is less than about 15% by volume. The pressure in the reaction chamber is at least about 3 bar.
본 개시내용의 또 다른 측면은 반응 챔버 및 기체를 반응 챔버 내에 분배하기 위한 분배기를 갖는 유동층 반응기에서의 실란의 열 분해에 의한 다결정 실리콘의 제조 방법에 관한 것이다. 반응 챔버는 코어 영역, 주변 영역 및 공급 기체가 통과하는 단면을 갖는다. 유동층 반응기는 반응 챔버 단면 1 제곱 미터 당 적어도 약 100 kg/hr의 다결정 실리콘을 생성한다. 실란을 함유하는 제1 공급 기체는 분배기 내로 도입되어 제1 공급 기체가 반응 챔버의 코어 영역 내에 분배된다. 반응 챔버는 실리콘 입자를 함유한다. 제1 공급 기체는 약 80 부피% 미만의 실란을 함유한다. 분배기 내로의 도입 전 제1 공급 기체의 온도는 약 400℃ 미만이다. 실란은 반응 챔버 내에서 열 분해되어 실리콘 입자 상에 상당량의 실리콘을 피착시킨다. 제2 공급 기체는 분배기 내로 도입되어 제2 공급 기체가 반응 챔버의 주변 영역 내에 분배된다. 제1 공급 기체 중 실란의 농도는 제2 공급 기체 중에서의 농도를 초과한다. 반응 챔버 내의 압력은 적어도 약 3 bar 이다.Another aspect of the present disclosure relates to a method of making polycrystalline silicon by thermal decomposition of silane in a fluidized bed reactor having a reaction chamber and a distributor for distributing the gas into the reaction chamber. The reaction chamber has a cross section through which the core region, the peripheral region and the feed gas pass. The fluidized bed reactor produces at least about 100 kg / hr of polycrystalline silicon per square meter of reaction chamber cross-section. A first feed gas containing silane is introduced into the distributor to distribute the first feed gas into the core region of the reaction chamber. The reaction chamber contains silicon particles. The first feed gas contains less than about 80 vol% silane. The temperature of the first feed gas prior to introduction into the distributor is less than about 400 < 0 > C. The silane is thermally decomposed in the reaction chamber to deposit a significant amount of silicon on the silicon particles. A second feed gas is introduced into the distributor to distribute the second feed gas into the peripheral region of the reaction chamber. The concentration of silane in the first feed gas exceeds the concentration in the second feed gas. The pressure in the reaction chamber is at least about 3 bar.
상기 언급된 본 개시내용의 측면과 관련하여 기재된 특징에 대한 다양한 개량이 존재한다. 추가의 특징이 또한 상기 언급된 본 개시내용의 측면에 도입될 수도 있다. 이들 개량 및 추가의 특징은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 임의의 예시 실시양태와 관련하여 하기에서 논의되는 다양한 특징이, 단독으로 또는 임의의 조합으로, 임의의 상기 언급된 본 개시내용의 측면에 도입될 수 있다.Various modifications to the features described in connection with the above-mentioned aspects of the present disclosure exist. Additional features may also be introduced into the aspects of the present disclosure referred to above. These refinements and additional features may be present individually or in any combination. For example, various features discussed below in connection with any exemplary embodiment of the present disclosure, alone or in any combination, may be introduced into any of the above-mentioned aspects of the present disclosure.
도 1은, 반응기로의 유입 및 반응기로부터의 유출이 나타나 있는, 본 개시내용의 방법에 따라 사용하기에 적합한 유동층 반응기의 개략도이고;
도 2는, 코어 영역 및 주변 영역이 나타나 있는, 유동층 반응기의 반응 챔버의 방사방향 단면도이고;
도 3은, 반응 라이너 및 반응기 쉘이 나타나 있는, 유동층 반응기의 반응 챔버의 축방향 단면도이다.
상응하는 참조 부호는 도면 전반에 걸쳐 상응하는 부분을 나타낸다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a schematic view of a fluidized bed reactor suitable for use in accordance with the method of the present disclosure, wherein the flow into and out of the reactor is indicated;
2 is a radial cross-sectional view of a reaction chamber of a fluidized bed reactor in which a core region and a peripheral region are shown;
3 is an axial cross-sectional view of a reaction chamber of a fluidized bed reactor, in which a reaction liner and reactor shell are shown.
Corresponding reference characters indicate corresponding parts throughout the figures.
상세한 설명details
본 개시내용의 실시양태에 따라, 실란이 열 분해되어 다결정 실리콘을 형성하는 유동층 반응기의 생산성이, 반응기 벽 상의 실리콘 피착물의 피착을 감소시키도록 적합화된 제조 방법에서 유지되거나 심지어 향상될 수 있음을 발견하였다.According to embodiments of the present disclosure, the productivity of a fluidized bed reactor in which silane is thermally cracked to form polycrystalline silicon can be maintained or even improved in a manufacturing process adapted to reduce deposition of silicon deposits on the reactor walls Respectively.
반응기 벽 상의 물질의 피착을 감소시키는 방법Methods of reducing deposition of material on the reactor wall
본 개시내용의 다양한 실시양태에서는, 실란을 포함하는 제1 공급 기체를 반응기의 코어 부분 내로 도입하고, 제1 공급 기체의 실란 조성보다 낮은 실란 조성을 갖는 제2 공급 기체 (예컨대 제2 공급 기체가 실란을 함유하지 않는 경우)를 유동층 반응기의 주변 영역 내로 도입함으로써, 반응기 벽 상의 실리콘 피착물의 형성이 감소될 수 있다. 이제, 도 1을 참조하면, 본 개시내용의 방법을 수행하기 위한 예시적 유동층 반응기 (1)을 일반적으로 (1)로 나타내었다. 반응기 (1)은 반응 챔버 (10) 및 기체 분배 유닛 (2)를 포함한다. 제1 공급 기체 (5) 및 제2 공급 기체 (7)은 분배 유닛 (2) 내로 도입되어 각각의 기체가 반응 챔버 (10)의 유입구 내에 분배된다. 이와 관련하여, 본원에서 사용된 바와 같이, "제1 공급 기체"는 "제2 공급 기체"와 상이한 조성을 갖는 기체이고, 그 반대 경우도 마찬가지임을 이해하여야 한다. 제1 공급 기체 및 제2 공급 기체는, 제1 공급 기체 중의 화합물 중 적어도 하나의 질량 조성 또는 몰 조성이 제2 공급 기체 중 그 화합물의 조성과 상이한 한, 다수의 기체 화합물로 구성될 수 있다. 생성물 회수 튜브 (12)가 기체 분배 유닛 (2)를 통해 연장된다. 생성물 입자는 튜브 (12)로부터 회수되어 생성물 저장소 (15)로 수송될 수 있다. 반응 챔버 (10)은 하부 영역 (13) 및 하부 영역 (13)보다 더 큰 반경을 가질 수 있는 프리보드 영역 (11)을 포함할 수 있다. 기체는 반응 챔버 (10) 내에서 상향 이동하여 프리보드 영역 (11)로 도입된다. 프리보드 영역 (11)에서는, 기체 속도가 감소하여 연행(entrained) 입자가 하부 영역 (13) 내로 다시 하강한다. 소비 기체 (16)이 반응기 챔버 (10)으로부터 배출되고, 이는 추가 가공 유닛 (18) 내로 도입될 수 있다. 반응 챔버 (10)이 반응 챔버 벽 근처에서 별도의 부분 (예를 들어, 소량의 실란을 함유하거나 실란을 함유하지 않는 공급 기체가 도입되는 별도의 부분)으로 격벽 분할되지 않아, 실리콘 피착이 일어날 수 있는 반응 챔버의 부분이 최대화되는 것이 바람직하다. 그러나, 달리 언급되지 않는 한, 반응 챔버는 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 하나 이상의 이러한 격벽을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 도 1에 나타낸 반응기 (1)은 예시적인 것이며, 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다른 반응기 디자인이 사용될 수 있음을 이해하여야 한다 (예를 들어, 확장된 프리보드 영역을 포함하지 않는 반응기).In various embodiments of the present disclosure, a first feed gas comprising silane is introduced into the core portion of the reactor and a second feed gas having a lower silane composition than the first feed gas (e.g., , The formation of the silicon deposits on the reactor walls can be reduced by introducing them into the peripheral region of the fluidized bed reactor. Referring now to Figure 1, an exemplary fluidized
이제, 유동층 반응기 (1)의 단면을 나타낸 도 2를 참조하면, 유동층 반응기 (1)은 반응기의 중심 (C)로부터 주변 영역 (23)까지 연장되는 코어 영역 (21)을 갖는다. 주변 영역 (23)은 코어 영역 (21)로부터 환상 벽 (25)까지 연장된다. 유동층 반응기 (1)은 반응기 (1)의 중심 (C)로부터 환상 벽 (25)까지 연장되는 반경 (R)을 갖는다. 본 개시내용의 다양한 실시양태에서, 코어 영역은 중심 (C)로부터 약 0.975R 미만, 약 0.6R 미만, 또한 다른 실시양태에서는, 약 0.5R 미만 또는 심지어 약 0.4R 미만까지 연장된다. 이들 및 다른 실시양태에서, 코어 영역은 중심 (C)로부터 적어도 약 0.5R, 적어도 약 0.6R, 적어도 약 0.8R 또는 심지어 적어도 약 0.9R까지 연장된다. 이와 관련하여, 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 도 2에 나타낸 것 이외의 유동층 반응기 디자인을 사용할 수 있음을 이해하여야 한다. 유동층 반응기의 단면 형상과 관계없이, 코어 영역의 단면의 표면적 대 주변 영역의 단면의 표면적의 비율은 약 25:1 미만, 약 15:1 미만, 약 10:1 미만, 약 5:1 미만, 약 4:3 미만일 수 있고, 또한 다른 실시양태에서는, 약 1:1 미만, 약 1:3 미만, 약 1:4 미만, 약 1:5 미만 또는 약 1:25 미만 (예를 들어, 약 4:3 내지 약 1:10 또는 약 1:1 내지 약 1:10)이다.2, which shows a cross-section of a
상기에 기재된 바와 같이, 유동층 반응기 (1)의 코어 영역 (21) 내로 도입되는 실란의 농도는 주변 영역 (23) 내로 도입되는 농도를 초과한다. 열 분해가능한 화합물 (예를 들어, 실란)을 반응기의 내부 부분으로, 또한 반응기 벽으로부터 멀리 유도함으로써, 반응기 벽 상의 물질 (예를 들어, 실리콘 등)의 피착이 감소할 수 있다. 일반적으로, 당업자가 이용가능한 임의의 방법을 이용하여 제1 공급 기체를 유동층 반응기의 코어 영역 내로, 또한 제2 공급 기체를 반응기의 주변 영역 내로 유도할 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 번호 2009/0324479 및 미국 특허 출원 공개 번호 2011/0158857 (이들 둘 다, 모든 관련 및 일관된 목적상 본원에 참고로 도입됨)에 개시된 바와 같은, 공급 기체를 반응기의 상이한 부분으로 유도하는 분배 유닛이 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다른 방법 및 장치를 사용하여 요망되는 기체 분포를 얻을 수 있음을 이해하여야 한다.As described above, the concentration of silane introduced into the
본 개시내용의 실시양태에 따르면, 제1 공급 기체 중 실란의 농도 (부피 기준)는 제2 공급 기체 중 실란의 농도보다 적어도 약 25% 더 높다 (예를 들어, 제2 공급 기체 중 실란의 농도가 약 10 부피%인 경우, 제1 공급 기체 중에서의 농도는 적어도 약 12.5 부피% 임). 다양한 다른 실시양태에서, 제1 공급 기체 중 실란의 농도 (부피 기준)는 제2 공급 기체 중 실란의 농도보다 적어도 약 35% 더 높거나, 또는 제2 공급 기체 중 실란의 농도 (부피 기준)보다 적어도 약 50%, 적어도 약 75%, 적어도 약 100%, 적어도 약 150%, 또는 적어도 약 200% 더 높다 (예를 들어, 제2 공급 기체 중 실란의 농도 (부피 기준)보다 약 25% 내지 약 200%, 약 25% 내지 약 100% 또는 약 50% 내지 약 200% 더 높음). 이들 및 다른 실시양태에서, 유동층 반응기 내로 도입되는 실란의 총량 중, 적어도 약 4%의 실란은 유동층 반응기의 코어 영역 내로 도입된다 (여기서, 나머지 96%는 주변 영역 내로 도입됨). 다른 실시양태에서는, 유동층 반응기 내로 도입되는 실란의 적어도 약 25%, 적어도 약 50%, 적어도 약 75%, 적어도 약 85%, 적어도 약 95% 또는 약 100%가 코어 영역을 통해 도입된다.According to an embodiment of the present disclosure, the concentration of silane (by volume) in the first feed gas is at least about 25% higher than the concentration of silane in the second feed gas (e.g., the concentration of silane in the second feed gas Is about 10% by volume, the concentration in the first feed gas is at least about 12.5% by volume). In various other embodiments, the concentration (by volume) of silane in the first feed gas is at least about 35% higher than the concentration of silane in the second feed gas, or greater than the concentration of silane in the second feed gas At least about 50%, at least about 75%, at least about 100%, at least about 150%, or at least about 200% higher (e.g., from about 25% 200%, about 25% to about 100%, or about 50% to about 200% higher). In these and other embodiments, at least about 4% of the total amount of silane introduced into the fluidized bed reactor is introduced into the core region of the fluidized bed reactor where the remaining 96% is introduced into the surrounding region. In another embodiment, at least about 25%, at least about 50%, at least about 75%, at least about 85%, at least about 95%, or about 100% of the silane introduced into the fluidized bed reactor is introduced through the core region.
제2 공급 기체를 반응 챔버 벽을 향해 유도하는 것에 추가로, (1) 반응 챔버 내로 도입되는 공급 기체 중 실란의 전체 농도를 약 15 부피% 미만으로 유지함으로써 및/또는 (2) 분배기 내로의 도입 전 제1 공급 기체의 온도를 약 400℃ 미만으로 유지함으로써, 유동층 반응기에서의 실리콘의 바람직하지 않은 피착이 감소될 수 있다. 이와 관련하여, 본원에서 사용된 바와 같이, 어구 "전체 농도"는, 둘 이상의 기체가 반응 챔버 내로 도입되는 경우, 부피 (즉, 전형적으로 부피 유량) 기준으로 평균낸 농도를 지칭한다.(1) maintaining the total concentration of silane in the feed gas introduced into the reaction chamber at less than about 15% by volume, and / or (2) introducing the second feed gas into the reactor By maintaining the temperature of the entire first feed gas below about 400 ° C, undesirable deposition of silicon in the fluidized bed reactor can be reduced. In this regard, as used herein, the phrase "total concentration " refers to the averaged concentration based on volume (i.e., typically, volume flow rate) when more than one gas is introduced into the reaction chamber.
유동층 반응기 내로의 도입 전 제1 공급 기체의 온도를 약 400℃ 미만이 되도록 유지하는 실시양태에서는, 유동층 반응기 내로 도입되는 실란의 전체 농도가 최대 약 80 부피%의 실란과 같이 비교적 높을 수 있다. 이러한 실시양태에서, 실란의 전체 농도는 약 60 부피% 미만, 약 40 부피% 미만, 약 20 부피% 미만, 약 15 부피% 미만, 약 10 부피% 미만, 약 5 부피% 미만, 약 2 부피% 내지 약 80 부피%, 약 5 부피% 내지 약 80 부피%, 약 5 부피% 내지 약 25 부피% 또는 약 2 부피% 내지 약 20 부피%일 수 있다. 유사하게, 제1 공급 기체 및/또는 제2 공급 기체의 농도는 기체의 전체 농도와 관련하여 상기에 기재된 범위 내에 포함될 수 있다. 또한, 분배기 내로의 도입 전 제1 공급 기체는 보다 저온, 예컨대 약 350℃ 미만, 약 300℃ 미만, 약 200℃ 미만 또는 심지어 약 100℃ 미만에서 분배기 내로 도입될 수 있다. 분배기 내로의 도입 전 제2 공급 기체는 약 400℃ 미만, 약 350℃ 미만, 약 300℃ 미만, 약 200℃ 미만 또는 심지어 약 100℃ 미만의 온도에서 도입될 수 있다. 일부 실시양태에서, 특히 제2 공급 기체가 약 1 부피% 미만의 실란을 함유하거나 약 1 부피% 미만의 열 분해가능한 실리콘 화합물을 함유하는 실시양태에서는, 반응기에 적용되어야 하는 외부 열의 양을 감소시키기 위해 제2 공급 기체를 제1 공급 기체보다 비교적 더 높은 온도에서 반응기 내로 도입한다. 예를 들어, 제2 공급 기체가 적어도 약 100℃, 적어도 약 200℃, 적어도 약 300℃, 적어도 약 350℃, 적어도 약 450℃ 또는 심지어 적어도 약 550℃ (예를 들어, 약 100℃ 내지 약 600℃, 약 300℃ 내지 약 600℃ 또는 약 450℃ 내지 약 600℃)의 온도에서 도입될 수 있다.In embodiments where the temperature of the first feed gas prior to introduction into the fluidized bed reactor is maintained at less than about 400 캜, the total concentration of silane introduced into the fluidized bed reactor may be relatively high, such as up to about 80% by volume of silane. In this embodiment, the total concentration of silane is less than about 60 vol%, less than about 40 vol%, less than about 20 vol%, less than about 15 vol%, less than about 10 vol%, less than about 5 vol% To about 80% by volume, from about 5% by volume to about 80% by volume, from about 5% by volume to about 25% by volume, or from about 2% by volume to about 20% by volume. Similarly, the concentration of the first feed gas and / or the second feed gas may be included within the ranges described above with respect to the total concentration of the gas. Also, the first feed gas prior to introduction into the distributor may be introduced into the distributor at lower temperatures, such as less than about 350 占 폚, less than about 300 占 폚, less than about 200 占 폚, or even less than about 100 占 폚. The second feed gas prior to introduction into the distributor may be introduced at a temperature of less than about 400 ° C, less than about 350 ° C, less than about 300 ° C, less than about 200 ° C, or even less than about 100 ° C. In some embodiments, particularly in embodiments where the second feed gas contains less than about 1 volume percent silane or less than about 1 volume percent thermally decomposable silicone compound, reducing the amount of external heat that must be applied to the reactor The second feed gas is introduced into the reactor at a relatively higher temperature than the first feed gas. For example, if the second feed gas has a temperature of at least about 100 占 폚, at least about 200 占 폚, at least about 300 占 폚, at least about 350 占 폚, at least about 450 占 폚, or even at least about 550 占 폚 About 300 DEG C to about 600 DEG C, or about 450 DEG C to about 600 DEG C).
반응기 내로 도입되는 공급 기체 중 실란의 전체 농도를 약 15 부피% 미만이 되도록 유지하는 실시양태에서는, 분배기 내로의 도입 전 제1 및/또는 제2 공급 기체의 온도가 약 400℃ 초과 (예를 들어, 최대 약 600℃, 예컨대 약 400℃ 내지 약 600℃ 또는 약 500℃ 내지 약 600℃)일 수 있다. 그러나, 분배기 내로의 도입 전 제1 및/또는 제2 공급 기체의 온도를 약 400℃ 미만 또는 약 350℃ 미만, 약 300℃ 미만, 약 200℃ 미만 또는 심지어 약 100℃ 미만이 되도록 유지하는 것이 바람직하다. 공급 기체 중 실란의 전체 농도를 약 15 부피% 미만이 되도록 유지하는 실시양태에서는, 제1 공급 기체 중 실란의 농도가 약 80 부피% 미만일 수 있다. 다른 실시양태에서는, 제1 공급 기체는 약 60 부피% 미만, 약 40 부피% 미만, 약 20 부피% 미만, 약 15 부피% 미만, 약 10 부피% 미만, 약 5 부피% 미만, 약 2 부피% 내지 약 80 부피%, 약 5 부피% 내지 약 80 부피%, 약 5 부피% 내지 약 25 부피% 또는 약 2 부피% 내지 약 20 부피%의 실란을 함유한다. 제1 공급 기체 및/또는 제2 공급 기체의 나머지는 사염화규소(silicon tetrachloride), 수소, 아르곤 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물과 같은 캐리어 기체일 수 있다. 이들 및 다른 실시양태에서, 제2 공급 기체는 약 15 부피% 미만의 실란, 또는 약 10 부피% 미만, 약 5 부피% 미만, 약 3 부피% 미만, 약 1 부피% 미만, 약 1 부피% 내지 약 15 부피% 또는 약 1 부피% 내지 약 5 부피%의 실란을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 제2 공급 기체는 실란 이외의 기체를 주성분으로 할 수 있음 (즉, 실란을 함유하지 않을 수 있음)을 이해하여야 한다. 예를 들어, 제2 공급 기체는 사염화규소, 수소, 아르곤 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물을 주성분으로 할 수 있다 (예를 들어, 이들 화합물만을 함유하고, 기타 소량의 다른 기체 불순물이 배제됨). 또한 이와 관련하여, 제2 공급 기체는 사염화규소, 수소, 아르곤 및 헬륨으로부터 선택된 하나 이상의 화합물로 이루어질 수 있다.In embodiments where the total concentration of silane in the feed gas introduced into the reactor is maintained at less than about 15% by volume, the temperature of the first and / or second feed gas prior to introduction into the distributor may be greater than about 400 < 0 & , Up to about 600 캜, such as from about 400 캜 to about 600 캜 or from about 500 캜 to about 600 캜). However, it is desirable to maintain the temperature of the first and / or second feed gas prior to introduction into the distributor below about 400 ° C or below about 350 ° C, below about 300 ° C, below about 200 ° C, or even below about 100 ° C Do. In embodiments where the total concentration of silane in the feed gas is maintained at less than about 15% by volume, the concentration of silane in the first feed gas may be less than about 80% by volume. In another embodiment, the first feed gas comprises less than about 60 vol%, less than about 40 vol%, less than about 20 vol%, less than about 15 vol%, less than about 10 vol%, less than about 5 vol% To about 80 vol%, about 5 vol% to about 80 vol%, about 5 vol% to about 25 vol%, or about 2 vol% to about 20 vol% silane. The remainder of the first feed gas and / or the second feed gas may be a carrier gas, such as a compound selected from the group consisting of silicon tetrachloride, hydrogen, argon and helium. In these and other embodiments, the second feed gas comprises less than about 15 vol% silane, or less than about 10 vol%, less than about 5 vol%, less than about 3 vol%, less than about 1 vol% About 15 vol.%, Or about 1 vol.% To about 5 vol.% Silane. In this regard, it should be understood that the second feed gas may comprise a gas other than silane (i.e., it may not contain silane). For example, the second feed gas may be based on one or more compounds selected from the group consisting of silicon tetrachloride, hydrogen, argon, and helium (e.g., containing only these compounds and other small amounts of other gaseous impurities) ). Also in this regard, the second feed gas may consist of one or more compounds selected from silicon tetrachloride, hydrogen, argon and helium.
제1 공급 기체 및 제2 공급 기체의 요망되는 유입구 온도에 따라, 제1 공급 기체 및/또는 제2 공급 기체를 반응기 내로의 도입 전에 가열할 수 있고, 또한 제1 및/또는 제2 공급 기체가 다른 공정 스트림으로부터 재순환된 기체를 포함하는 실시양태에서는, 제1 및/또는 제2 공급 기체를 냉각시킬 수 있다. 간접적 증기 또는 전기 가열의 사용 및/또는 연소 기체의 사용 및 액체 (예를 들어, 물 또는 용융 염) 냉각에 의한 간접적 냉각을 포함한 당업자에게 공지된 임의의 가열 또는 냉각 방법을 이용할 수 있다.Depending on the desired inlet temperature of the first feed gas and the second feed gas, the first feed gas and / or the second feed gas may be heated prior to introduction into the reactor, and the first and / or second feed gas In embodiments comprising gas recycled from another process stream, the first and / or second feed gas may be cooled. Any heating or cooling method known to those skilled in the art can be used, including the use of indirect steam or electric heating and / or the use of combustion gases and indirect cooling by cooling the liquid (e.g., water or molten salt).
실란은, 반응 챔버 (10)으로 도입되고 가열됨에 따라, 하기 반응식에 따라 열 분해되어 다결정 실리콘 및 수소를 생성한다.As the silane is introduced into the
<반응식 1><
SiH4 → Si + 2H2 SiH 4 ? Si + 2H 2
이와 관련하여, 상기에 나타낸 반응식 1 이외의 반응이 반응 챔버 (10)에서 일어날 수 있고, 반응식 1이 제한적 의미로 여겨져선 안되며; 반응식 1은 반응 챔버에서 일어나는 대부분의 반응을 대표할 수 있음을 이해하여야 한다.In this connection, reactions other than the
적절한 반응기 생산성을 유지하는 방법How to Maintain Proper Reactor Productivity
반응기 벽 상의 물질의 피착을 감소시키기 위한 상기에 기재된 방법을 이용하는 경우 허용가능한 생산성을 유지하기 위해 또는 심지어 통상적인 제조 방법에 비해 생산성을 향상시키기 위해, 하기 방법 중 하나 이상이 이용될 수 있는 것으로 나타났다: (1) 유동층 반응기의 압력을 하기에 기재되는 바와 같은 특정 범위 내로 조절할 수 있음, (2) 제1 및 제2 유동화 기체를 반응 챔버 내에서 급속 가열하여 다결정 실리콘의 피착을 촉진시킬 수 있음, 및/또는 (3) 회수된 다결정 실리콘 미립자의 직경을 하기에 기재되는 바와 같은 특정 범위 내로 조절할 수 있음.It has been found that one or more of the following methods can be used to maintain acceptable productivity or even to improve productivity compared to conventional manufacturing methods when using the method described above for reducing the deposition of material on the reactor walls (1) the pressure of the fluidized bed reactor can be controlled to within a certain range as described below, (2) the first and second fluidized gases can be rapidly heated in the reaction chamber to promote deposition of the polycrystalline silicon, And / or (3) the diameter of the recovered polycrystalline silicon microparticles can be controlled within a specific range as described below.
본 개시내용의 특정 실시양태에서, 유동층 반응기 내의 절대 압력은 적어도 약 3 bar이다. 유동층 반응기의 압력을 약 3 bar 초과로 유지함으로써, 충분한 반응기 생산성이 달성될 수 있는 것으로 나타났다. 일반적으로, 현저히 더 높은 압력이 이용될 수 있지만 (예를 들어, 최대 약 25 bar); 고압은, 이러한 압력이 반응기 벽을 통한 비교적 높은 외부 열의 적용 (예를 들어, 보다 고온)을 포함할 수 있고 허용 불가능한 양의 반응기 벽 상의 실리콘 피착을 초래할 수 있기 때문에 덜 바람직할 수 있다. 특정 실시양태에서, 반응기의 압력은 적어도 약 4 bar, 적어도 약 5 bar, 적어도 약 10 bar, 적어도 약 15 bar, 적어도 약 20 bar 또는 심지어 적어도 약 25 bar (예를 들어, 약 3 bar 내지 약 25 bar 또는 약 4 bar 내지 약 20 bar)이 되도록 조절된다.In certain embodiments of the present disclosure, the absolute pressure in the fluidized bed reactor is at least about 3 bar. By maintaining the pressure in the fluidized bed reactor above about 3 bar, sufficient reactor productivity has been shown to be achievable. In general, significantly higher pressures may be used (e.g., up to about 25 bar); High pressures may be less desirable because such pressure may include the application of relatively high external heat through the reactor walls (e.g., higher temperatures) and may result in unacceptable amounts of silicon deposition on the reactor walls. In certain embodiments, the pressure of the reactor is at least about 4 bar, at least about 5 bar, at least about 10 bar, at least about 15 bar, at least about 20 bar, or even at least about 25 bar (e.g., from about 3 bar to about 25 bar bar or about 4 bar to about 20 bar).
이와 관련하여, 기체가 반응기를 통과함에 따라 반응기의 압력은 전형적으로 감소한다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 변화를 고려하여, 반응기의 압력을 기체 배출부 근처에서 측정하여 최소 압력 (예를 들어, 약 3 bar)이 달성되는 것을 보장할 수 있다. 본 개시내용의 특정 실시양태에서는, 반응기로부터 배출된 소비 기체의 압력을 측정하여 유동층이 언급된 압력 범위 내에서 작업되는 것을 보장한다. 예를 들어, 소비 기체의 압력은 적어도 약 3 bar, 적어도 약 4 bar, 적어도 약 5 bar, 적어도 약 10 bar, 적어도 약 15 bar, 적어도 약 20 bar 또는 심지어 적어도 약 25 bar (예를 들어, 약 3 bar 내지 약 25 bar 또는 약 4 bar 내지 약 20 bar)일 수 있다.In this regard, it should be appreciated that the pressure of the reactor typically decreases as the gas passes through the reactor. In view of this change, the pressure of the reactor can be measured near the gas outlet to ensure that a minimum pressure (e.g., about 3 bar) is achieved. In certain embodiments of the present disclosure, the pressure of the consuming gas discharged from the reactor is measured to ensure that the fluidized bed is operated within the stated pressure range. For example, the pressure of the consuming gas may be at least about 3 bar, at least about 4 bar, at least about 5 bar, at least about 10 bar, at least about 15 bar, at least about 20 bar, or even at least about 25 bar 3 bar to about 25 bar or about 4 bar to about 20 bar).
상기에 기재된 바와 같이, 유동층 반응기 내로 도입되는 제1 공급 기체 및/또는 제2 공급 기체의 온도는 약 400℃ 미만일 수 있다. 유입되는 기체를 급속 가열함으로써 유동층 반응기의 생산성이 증가될 수 있는 것으로 나타났다. 이제, 본 개시내용의 하나 이상의 실시양태에 따른 유동층 반응기의 반응 챔버 (10)이 나타나 있는 도 3을 참조하면, 유동층 반응기의 가열 장치 (34)가 반응 라이너 (32) (즉, 반응 챔버 벽)와 반응기의 외부 쉘 (35) 사이에 형성된 환상 내부 챔버 (39) 내에 유지될 수 있다. 가열 장치 (34)를 외부 쉘 (35)의 내부에 배치함으로써, 열이 반응 챔버의 내용물에 도달하도록 외부 쉘 (35) 및 라이너 (32) 둘 다를 통해 유도되지 않아 가열 장치가 저온에서 작동될 수 있다. 이러한 구성은 비교적 급속한 가열이 달성될 수 있게 하고, 반응기 물질을 열화시킬 수 있고 외부 쉘 (35)를 형성하기 위해 사용될 수 있는 물질을 제한하는 반응기를 가로지르는 고온 구배의 이용을 피한다.As described above, the temperature of the first feed gas and / or the second feed gas introduced into the fluidized bed reactor may be less than about 400 ° C. It has been shown that the productivity of the fluidized bed reactor can be increased by rapid heating of the incoming gas. 3, where a
가열 장치 (34)는 전기 저항 가열기 또는 하나 이상의 유도 코일일 수 있지만; 다른 유형의 가열 장치가 제한 없이 사용될 수 있다 (예를 들어, 가열 장치 (34)는 가열 기체, 예컨대 연소 기체일 수 있음). 라이너 (32)는 유동층 반응기 작동에, 또한 과립 다결정 실리콘의 제조에 적합한 임의의 물질, 또한 특히, 다결정 실리콘 생성물의 오염을 초래할 수 있는 에칭 및 열화에 대해 충분히 내성을 갖는 물질로 제조될 수 있다. 적합한 물질은, 예를 들어, 석영, 실리콘으로 코팅된 또는 탄화 규소로 코팅된 흑연, 실리콘으로 코팅된 탄화 규소, 및 아연 합금 및 탄탈럼 합금을 포함한다. 외부 쉘 (35)는 임의 수의 금속 물질 (예를 들어, 탄소 강 또는 스테인레스 강을 포함하는 금속 합금)로 제조될 수 있다.The
다양한 실시양태에서, 기체 (38) (예를 들어, 아르곤, 수소, 질소 및/또는 헬륨)이 내부 챔버 (39) 내에 포함될 수 있고, 이는 바람직하게는 계속적으로 내부 챔버 내로 도입되고 그로부터 회수된다. 이 기체 (38)은, 반응 라이너 (32)를 통한 내부 챔버 (39) 내로의 누출로 인한 다양한 외부 표면 상의 실리콘의 피착으로부터 가열 장치 (34)를 보호하도록 작용한다. 기체 (38)은 공정 기체 (5), (7)의 압력 미만의 압력에서 유지될 수 있고, 따라서 라이너 (32)가 개구 (예를 들어, 균열 또는 핀-홀)를 형성하면, 공정 기체가 라이너 (32)를 통과하여 기체 (38)이 반응 챔버로 도입되는 것을 막음으로써 오염물의 반응 챔버 내로의 이동을 피한다. 라이너 (32)가 석영으로 구성된 (또한, 특히, 석영을 주성분으로 하는) 실시양태에서는, 기체 (38)과 공정 기체 (5), (7) 사이의 압력차(differential pressure)를 조절하여 반응 라이너 (32)의 붕괴를 피할 수 있다. 다른 물질의 경우, 기체 (38)의 압력을 약 1 bar 초과 및 공정 기체 (5), (7)의 압력 미만으로 유지하여 라이너 (32)를 통한 반응 챔버 내로의 오염을 막는 것이 유리할 수 있다. 기체 (38)은 약 1 bar 초과, 적어도 약 1.1 bar, 적어도 약 5 bar, 적어도 약 10 bar, 적어도 약 15 bar, 또는 적어도 약 20 bar 또는 그 이상 및 공정 기체 (5), (7) 압력 미만 (예를 들어, 약 1 bar 내지 약 20 bar, 약 1.1 bar 내지 약 20 bar, 약 1 bar 내지 약 20 bar 또는 약 5 bar 내지 약 20 bar)의 압력에서 유지될 수 있다. 이와 관련하여, 압력 강하에 대한 상한은 반응기 벽의 구조 일체성에 기초하여 결정될 수 있고, 이는 또한 구성 물질, 벽 두께 및 반응기 직경에 의해 영향받을 것이다.In various embodiments, a gas 38 (e.g., argon, hydrogen, nitrogen, and / or helium) may be included in the
일반적으로, 보다 작은 직경의 반응 챔버 (10)이 보다 큰 압력차를 견뎌낼 수 있다. 그러나, 반응기를 통한 보다 많은 처리량을 달성하기 위해서는 보다 큰 직경의 반응 챔버가 바람직할 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응 챔버 (10)의 직경은 적어도 약 10 인치, 적어도 약 20 인치, 적어도 약 30 인치 또는 적어도 약 40 인치 또는 그 이상일 수 있다.In general, the
또한, 기체 (38)은 부식을 막기 위해 공정 기체 (5), (7) 미만의 온도에서 유지될 수 있다. 또한, 기체 (38)이 내부 챔버 (39)로부터 회수됨에 따라 이를 모니터링하여 공정 기체 (예를 들어, 실란)의 존재를 검출하고, 이는 라이너 (32)가 개구 (예를 들어, 균열 또는 핀-홀)을 형성하였음을, 또한 보수가 필요할 수 있음을 나타낸다. 내부 챔버 (39) (또는 그의 일부)는 열이 손실되는 것을 막도록 단열재(insulating material)를 포함할 수 있다. 사용되는 단열재는, 당업자가 인지하는 바와 같은 고온에서의 단열(insulating)에 적합한 임의의 물질 (탄소 및 무기 물질 둘 다)일 수 있고, 이는 단열 블록, 블랭킷 또는 펠트를 포함한 다양한 형태를 가질 수 있다.In addition, the
본 개시내용에 따라 사용하기 위한 유동층 반응기의 예는, 미국 특허 출원 공개 번호 2008/0299291, 미국 특허 출원 공개 번호 2008/0241046 및 미국 특허 출원 공개 번호 2009/0095710 (이들 각각은, 모든 관련 및 일관된 목적상 본원에 참고로 도입됨)에 개시된 것들을 포함한다. 이와 관련하여, 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 도 3에 나타낸 것 이외의, 또한 인용 공개문헌에 기재된 것 이외의 반응기 디자인을 사용할 수 있음을 이해하여야 한다.Examples of fluidized bed reactors for use in accordance with this disclosure are disclosed in U.S. Patent Application Publication No. 2008/0299291, U.S. Patent Application Publication No. 2008/0241046, and U.S. Patent Application Publication No. 2009/0095710, each of which is incorporated herein by reference for all relevant and consistent purposes Incorporated herein by reference). In this regard, it should be understood that reactor designs other than those shown in FIG. 3 and other than those described in the cited publications may be used without departing from the scope of the present disclosure.
제1 공급 기체 및 제2 공급 기체는, 유동층 반응기 내로 도입시, 가열되고 이들이 반응 챔버에서 상승함에 따라 계속 가열된다. 반응 기체는 반응 챔버로부터 배출되기 전에 (또는 하기에 기재되는 바와 같이 켄칭되기 전에) 적어도 약 500℃까지, 또한 다른 실시양태에서는, 적어도 약 600℃까지, 적어도 약 650℃까지, 적어도 약 700℃까지, 적어도 약 750℃까지, 약 600℃ 내지 약 800℃로 또는 약 700℃ 내지 약 800℃로 가열될 수 있다.The first feed gas and the second feed gas are heated as they are introduced into the fluid bed reactor and are continuously heated as they rise in the reaction chamber. The reaction gas may be heated to at least about 500 캜 before being discharged from the reaction chamber (or quenched as described below), and in yet another embodiment to at least about 600 캜, to at least about 650 캜, to at least about 700 캜 , To at least about 750 占 폚, from about 600 占 폚 to about 800 占 폚, or from about 700 占 폚 to about 800 占 폚.
도 1에 나타낸 바와 같이, 미립자 다결정 실리콘은 생성물 회수 튜브 (12)로부터 회수된다. 미립자 다결정 실리콘은 배치식 작업에서와 같이 간헐적으로 반응기로부터 회수될 수 있지만; 미립자 생성물이 연속적으로 회수되는 것이 바람직하다. 실리콘 생성물의 배치식 또는 연속식 회수를 이용하는지에 관계 없이, 반응기로부터 회수시 생성물 입자의 크기는 반응기 생산성에 영향을 주는 것으로 나타났다. 예를 들어, 일반적으로 회수된 실리콘 미립자의 크기가 증가하면 반응기 생산성이 증가하는 것으로 나타났지만; 생성물 입자를 지나치게 크게 성장시키면, 반응기 내의 기체와 고체 상 사이의 접촉이 감소됨으로써 생산성이 감소될 수 있다. 따라서, 본 개시내용의 다양한 실시양태에서, 반응기로부터 회수되는 미립자 다결정 실리콘의 평균 직경은 약 600 ㎛ 내지 약 2000 ㎛ 또는 약 800 ㎛ 내지 약 1300 ㎛이다. 이와 관련하여, 본원에서 다양한 입자의 평균 직경에 대한 언급은 달리 언급되지 않는 한 사우터(Sauter) 평균 직경을 지칭함을 이해하여야 한다. 사우터 평균 직경은 당업자에게 일반적으로 공지되어 있는 방법에 따라 측정될 수 있다.As shown in FIG. 1, the particulate polycrystalline silicon is recovered from the
하나 이상의 상기에 기재된 방법을 이용함으로써, 심지어 또한 상기에 기재된 바와 같은 반응기 벽 상의 물질의 피착을 감소시키기 위한 하나 이상의 방법이 이용되는 실시양태에서도, 비교적 높은 반응기 생산성이 유지되는 것이 가능할 수 있다. 당업자가 인지하는 바와 같이, 반응기 생산성은 반응 챔버 단면적 당 다결정 실리콘 제조의 비율로서 나타내어질 수 있다. 본 개시내용에 따르면, 반응기 생산성을 증가시키기 위한 하나 이상의 상기 언급된 방법이 이용되는 경우, 반응 챔버 단면 1 제곱 미터 당 적어도 약 100 kg/hr의 실리콘이 반응기 내에서 실리콘 입자 상에 피착된다. 다른 실시양태에서는, 반응 챔버 단면 1 제곱 미터 당 적어도 약 150 kg/hr, 적어도 약 250 kg/hr, 적어도 약 300 kg/hr, 적어도 약 500 kg/hr, 적어도 약 700 kg/hr, 적어도 약 1000 kg/hr, 적어도 약 2000 kg/hr, 적어도 약 3000 kg/hr, 적어도 약 4000 kg/hr 또는 약 100 kg/hr 내지 약 5000 kg/hr, 약 250 kg/hr 내지 약 5000 kg/hr, 약 100 kg/hr 내지 약 4000 kg/hr 또는 약 100 kg/hr 내지 약 1000 kg/hr의 실리콘이 실리콘 입자 상에 피착된다.Even in embodiments in which one or more of the above-described methods are used, and even more than one method is used to reduce the deposition of material on the reactor walls as described above, it may be possible to maintain relatively high reactor productivity. As will be appreciated by those skilled in the art, reactor productivity can be expressed as a percentage of polysilicon production per reactor chamber cross-sectional area. According to the present disclosure, at least about 100 kg / hr of silicon per square meter of reaction chamber cross-section is deposited on the silicon particles in the reactor when more than one of the above-mentioned methods for increasing reactor productivity is used. At least about 150 kg / hr, at least about 250 kg / hr, at least about 300 kg / hr, at least about 500 kg / hr, at least about 700 kg / hr, at least about 1000 at least about 2000 kg / hr, at least about 3000 kg / hr, at least about 4000 kg / hr or about 100 kg / hr to about 5000 kg / hr, at least about 250 kg / hr to about 5000 kg / 100 kg / hr to about 4000 kg / hr or about 100 kg / hr to about 1000 kg / hr of silicon is deposited on the silicon particles.
이와 관련하여, 반응 챔버의 단면이 반응기의 길이를 따라 달라지는 실시양태에서는, 언급된 단면적이 반응 챔버의 길이 (예를 들어, 적어도 약 90%의 피착이 일어나는 반응 챔버의 길이)에 대해 평균낸 단면을 지칭함을 이해하여야 한다. 반응기는, 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서, 생산성이 언급된 값보다 더 높거나 낮은 편재 영역을 가질 수 있음을 또한 이해하여야 한다.In this regard, in embodiments where the cross-section of the reaction chamber varies along the length of the reactor, the cross-sectional area referred to is the cross-sectional area averaged over the length of the reaction chamber (e.g., the length of the reaction chamber where at least about 90% As used herein. It is also to be understood that the reactor may have ubiquitous regions whose productivity is higher or lower than the stated value, without departing from the scope of the present disclosure.
유동층 반응기의 작동에 대한 다른 파라미터Other parameters for the operation of the fluidized bed reactor
실리콘 시드 입자를 반응기에 첨가하여 다결정 실리콘이 피착될 수 있는 표면을 제공한다. 시드 입자는, 이들이 미립자 다결정 실리콘 생성물로서 반응기로부터 배출될 때까지 계속적으로 크기가 성장한다. 시드 입자는 배치식으로 또는 연속식으로 반응기에 첨가될 수 있다. 결정 시드 입자의 평균 직경 (즉, 사우터 평균 직경)은 약 50 ㎛ 내지 약 800 ㎛일 수 있고, 또한 일부 실시양태에서는, 약 200 ㎛ 내지 약 500 ㎛이다. 실리콘 시드 입자의 공급원은 요망되는 크기로 분쇄된 반응기로부터 수집된 생성물 입자 및/또는 과립 다결정 생성물과 합쳐지고 그로부터 분리된 작은 다결정 실리콘 입자를 포함한다.Silicon seed particles are added to the reactor to provide a surface on which polycrystalline silicon can be deposited. The seed particles continue to grow in size until they are discharged from the reactor as a particulate polycrystalline silicon product. The seed particles can be added to the reactor batchwise or continuously. The average diameter of the crystal seed particles (i.e., the Sauter mean diameter) may be from about 50 microns to about 800 microns, and in some embodiments, from about 200 microns to about 500 microns. The source of the silicon seed particles comprises small polycrystalline silicon particles that are aggregated and separated from the product particles and / or the granular polycrystalline product collected from the reactor pulverized to the desired size.
유동층 반응기 시스템의 작동 동안, 유동층 반응기의 반응 대역을 통한 유동화 기체 속도는 다결정 실리콘 입자의 최소 유동화 속도 초과로 유지된다. 유동층 반응기를 통한 기체 속도는 일반적으로, 유동층 내의 입자를 유동화하기 위해 필수적인 최소 유동화 속도의 약 1 내지 약 8배의 속도에서 유지된다. 일부 실시양태에서, 기체 속도는 유동층 내의 입자를 유동화하기 위해 필수적인 최소 유동화 속도의 약 1.1 내지 약 3배이다. 최소 유동화 속도는 포함되는 기체 및 입자의 특성에 따라 달라진다. 최소 유동화 속도는 통상적인 수단에 의해 측정될 수 있다 (모든 관련 및 일관된 목적상 본원에 참고로 도입되는 문헌 [Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7th. Ed.]의 p. 17-4 참조). 본 개시내용이 특정 최소 유동화 속도로 제한되는 것은 아니지만, 본 개시내용에서 유용한 최소 유동화 속도는 약 0.7 cm/sec 내지 약 250 cm/sec 또는 심지어 약 6 cm/sec 내지 약 100 cm/sec의 범위이다. 반응 챔버 내로 도입된 기체에 대한 평균 기체 체류 시간은 약 20초 미만, 또는 다른 실시양태에서는, 약 12초 미만, 약 9초 미만, 약 4초 미만, 약 1초 미만, 또는 약 0.1초 내지 약 20초일 수 있다.During operation of the fluidized bed reactor system, the fluidized gas velocity through the reaction zone of the fluidized bed reactor is maintained above the minimum fluidization rate of the polycrystalline silicon particles. The gas velocity through the fluidized bed reactor is generally maintained at a rate of about 1 to about 8 times the minimum fluidization velocity necessary to fluidize the particles in the fluidized bed. In some embodiments, the gas velocity is from about 1.1 to about 3 times the minimum fluidization velocity necessary to fluidize the particles in the fluidized bed. The minimum fluidization rate depends on the nature of the gas and particles involved. The minimum fluidization rate can be measured by conventional means (see p. 17-4 of Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7th Ed., Incorporated herein by reference for all relevant and consistent purposes). Although the present disclosure is not limited to any particular minimum fluidization rate, the minimum fluidization rate useful in the present disclosure ranges from about 0.7 cm / sec to about 250 cm / sec, or even from about 6 cm / sec to about 100 cm / sec . The average gas residence time for the gas introduced into the reaction chamber is less than about 20 seconds, or in other embodiments, less than about 12 seconds, less than about 9 seconds, less than about 4 seconds, less than about 1 second, It can be 20 seconds.
보다 높은 생산성을 달성하기 위해, 또한 국소적 탈유동화를 막기 위해서는 최소 유동화 유량보다 더 높은 기체 속도가 종종 요망된다. 기체 속도가 최소 유동화 속도를 넘어서 증가함에 따라, 과량의 기체가 기포를 형성하여, 층 공극률(bed voidage)이 증가된다. 층은 기포 및 실리콘 입자와 접촉된 기체를 함유하는 "에멀젼"으로 이루어지는 것으로 여겨질 수 있다. 에멀젼의 특성은 최소 유동화 조건에서 층의 특성과 매우 유사하다. 에멀젼에서의 국소적 공극률은 최소 유동화 층 공극률에 가깝다. 따라서, 최소 유동화를 달성하기 위해 필요한 것을 초과하여 도입되는 기체에 의해 기포가 생성된다. 최소 유동화 속도에 대한 실제 기체 속도의 비율이 증가함에 따라, 기포 형성이 강화된다. 매우 높은 비율에서는, 기체의 큰 슬러그가 층에서 형성된다. 층 공극률이 총 기체 유량과 함께 증가함에 따라, 고체와 기체 사이의 접촉이 덜 효과적이 된다. 주어진 층 부피에서, 반응 기체와 접촉되는 고체의 표면적은 층 공극률이 증가함에 따라 감소되고, 이는 감소된 다결정 실리콘 생성물로의 전환율을 초래한다. 따라서, 기체 속도는 허용가능한 수준 내에서 분해를 유지하도록 조절되어야 한다.In order to achieve higher productivity, and also to prevent local de-fluidization, higher gas velocities than the minimum fluidized flow are often desired. As the gas velocity increases beyond the minimum fluidization velocity, the excess gas forms bubbles and the bed voidage is increased. The layer may be considered to consist of an "emulsion" containing a gas contacted with bubbles and silicon particles. The properties of the emulsion are very similar to those of the layer at the minimum fluidization conditions. The local porosity in the emulsion is close to the minimum fluidized bed porosity. Thus, bubbles are generated by the gas introduced in excess of what is needed to achieve minimum fluidization. As the ratio of the actual gas velocity to the minimum fluidization velocity increases, bubble formation is enhanced. At a very high rate, large slugs of gas are formed in the layer. As the bed porosity increases with the total gas flow rate, the contact between the solid and the gas becomes less effective. At a given layer volume, the surface area of the solid in contact with the reactive gas decreases as the layer porosity increases, which results in a reduced conversion rate to the polycrystalline silicon product. Thus, the gas velocity must be adjusted to maintain decomposition within an acceptable level.
본 개시내용의 일부 실시양태에서, 또한 도 1에 나타낸 바와 같이, 유동층 반응기 (1)의 반응 챔버 (10)은, 유동화 기체의 속도를 감소시키고 미립자 물질이 기체로부터 분리될 수 있게 하도록 반응 챔버의 직경이 증가된 "프리보드" 영역 (11)을 포함한다. 이와 관련하여, 반응기가 프리보드 영역을 포함하는 실시양태에서는, 이 영역이 달리 언급되지 않는 한 반응 챔버의 일부인 것으로 고려됨 (예를 들어, 반응기의 평균 반경, 체류 시간 등의 측정에 대해)을 이해하여야 한다. 실리콘 더스트(dust)의 형성을 감소시키기 위해, 또한 반응기로부터의 배출 전 기체의 온도를 감소시킴으로써 반응기의 유출구 및 프리보드 영역에서의 실리콘의 피착을 감소시키기 위해, 반응기의 프리보드 영역 내로 켄칭 기체가 도입될 수 있다 (예를 들어, 사염화규소, 수소, 아르곤 및/또는 헬륨). 이러한 켄칭 기체의 적합한 사용 방법은, 모든 관련 및 일관된 목적상 본원에 참고로 도입되는 미국 특허 번호 4,868,013에 기재되어 있다. 켄칭 기체의 온도 및 유량은 배출된 소비 기체의 온도가 약 500℃ 미만, 또한 다른 실시양태에서는, 약 400℃ 미만, 약 300℃ 미만, 약 200℃ 내지 약 500℃ 또는 약 200℃ 내지 약 400℃가 되도록 선택되어야 한다. 켄칭 기체의 온도는 약 400℃ 미만, 약 300℃ 미만, 약 200℃ 미만 또는 약 100℃ 미만 (예를 들어, 약 10℃ 내지 약 400℃, 약 10℃ 내지 약 300℃ 또는 약 100℃ 내지 약 400℃)일 수 있다. 반응기로 도입되는 공정 기체 대 켄칭 기체의 중량비는 약 20:1 내지 약 700:1 또는 약 50:1 내지 약 300:1일 수 있다.1, the
본 개시내용의 일부 실시양태에서, 유동층 반응기에서의 실란의 전환율은 적어도 약 20%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50%, 적어도 약 80%, 적어도 약 90%, 적어도 약 95% 또는 심지어 적어도 약 99% (예를 들어, 약 80% 내지 약 100%, 약 90% 내지 약 99%, 약 80% 내지 약 99%)일 수 있다. 이와 관련하여, 전환율은 반응기 디자인 및 작동 파라미터 (온도, 압력 등)를 포함한 많은 요인에 따라 달라질 수 있음을 이해하여야 한다.In some embodiments of this disclosure, the conversion of silane in the fluidized bed reactor is at least about 20%, at least about 40%, at least about 50%, at least about 80%, at least about 90%, at least about 95%, or even at least about (E.g., from about 80% to about 100%, from about 90% to about 99%, from about 80% to about 99%). In this regard, it should be understood that the conversion rate may vary depending on many factors, including reactor design and operating parameters (temperature, pressure, etc.).
실시예Example
실시예 1: 2-기체 고압 유동층 반응기에서의 실란 분해로부터의 다결정 실리콘의 모델링 제조Example 1: Modeling of polycrystalline silicon from silane decomposition in a two-gas high pressure fluid bed reactor
수소를 반응 챔버의 주변 영역 내로 공급하고 실란-함유 기체를 반응 챔버의 코어 내로 도입하는, 고압 유동층 반응기에서의 실란의 열 분해에 의한 다결정 실리콘의 제조를, 컴퓨터 유체 역학(Computational Fluid Dynamics; CFD) 소프트웨어를 이용하여 모델링하였다. 반응기 내로 공급되는 기체 중 전체 실란 농도는 2 부피%로 유지하였다. 반응기의 코어 영역 내로 도입되는 기체는 4.8 부피%를 함유하였고, 이를 395℃의 온도에서 코어 영역으로 도입하였다. 반응기의 주변 영역 내로 도입되는 기체는 실란을 함유하지 않았고, 이를 600℃의 온도에서 반응기로 도입하였다. 반응 챔버의 코어 영역의 표면적 대 주변 영역의 표면적의 비율은 1:2였다. 반응기 기체 배출부의 압력을 20 bar (절대)로 유지하였고, 반응 챔버를 700℃로 유지하였다. 모델링된 데이터는 실란 전환율이 99.9%임을 나타내었다. 이러한 모사 반응기의 생산성은 반응 챔버 단면 1 제곱 미터 당 180 kg/hr의 다결정 실리콘이다.The production of polycrystalline silicon by thermal decomposition of silane in a high-pressure fluidized-bed reactor, feeding hydrogen into the peripheral region of the reaction chamber and introducing silane-containing gas into the core of the reaction chamber, is accomplished by computational fluid dynamics (CFD) Software. The total silane concentration in the gas fed into the reactor was maintained at 2% by volume. The gas introduced into the core region of the reactor contained 4.8% by volume and was introduced into the core region at a temperature of 395 ° C. The gas introduced into the peripheral region of the reactor contained no silane and was introduced into the reactor at a temperature of 600 ° C. The ratio of the surface area of the core area of the reaction chamber to the surface area of the peripheral area was 1: 2. The pressure of the reactor gas outlet was maintained at 20 bar (absolute) and the reaction chamber was maintained at 700 ° C. The modeled data indicated that the silane conversion rate was 99.9%. The productivity of this simulated reactor is 180 kg / hr of polycrystalline silicon per square meter of reaction chamber cross section.
본 개시내용 또는 그의 바람직한 실시양태(들)의 요소를 도입하는 경우, 영문에서 관사 "a", "an", "the" 및 "said"는 하나 이상의 요소가 존재함을 의미하도록 의도된다. 용어 "포함하는", "포함한" 및 "갖는"은 포괄적인 것으로 의도되며, 이는 기재된 요소 이외에 추가의 요소가 존재할 수 있음을 의미한다.When introducing elements of this disclosure or its preferred embodiment (s), the articles "a", "an", "the" and "said" are intended to mean that there is more than one element. The terms " comprising, "" including," and "having" are intended to be inclusive and mean that there may be additional elements other than those listed.
본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 상기 장치 및 방법에서의 다양한 변화가 이루어질 수 있기 때문에, 상기 설명에 포함된, 또한 첨부된 도에 나타낸 모든 사항은 예시적인 것으로, 또한 제한적 의미가 아닌 것으로 해석될 것이 의도된다.
It will be understood that, since various changes may be made in the above apparatus and methods without departing from the scope of the present disclosure, it is intended that all matter contained in the above description and shown in the accompanying drawings shall be interpreted as illustrative and not in a limiting sense Is intended.
Claims (40)
실란을 포함하는 제1 공급 기체를 상기 반응 챔버의 상기 코어 영역 내로 도입하는 단계 - 상기 반응 챔버는 실리콘 입자들을 함유하고, 상기 제1 공급 기체는 약 80 부피% 미만의 실란을 함유하고, 실란이 상기 반응 챔버 내에서 열 분해되어 상기 실리콘 입자들 상에 일정량의 실리콘을 피착(deposit)시킴 -; 및
제2 공급 기체를 상기 반응 챔버의 상기 주변 영역 내로 도입하는 단계 - 상기 제1 공급 기체 중 실란의 농도는 상기 제2 공급 기체 중에서의 농도를 초과하고, 상기 반응 챔버 내로 공급되는 공급 기체 중 실란의 전체 농도는 약 15 부피% 미만이고, 상기 반응 챔버 내의 압력은 적어도 약 3 bar임 -
를 포함하는 방법.1. A method for producing polycrystalline silicon by thermal decomposition of silane in a fluidzed bed reactor having a reaction chamber, the reactor having a core region, a peripheral region and a cross section through which the feed gas passes, Producing at least about 100 kg / hr of polycrystalline silicon per square meter of chamber cross-section,
Introducing a first feed gas comprising silane into the core region of the reaction chamber, the reaction chamber containing silicon particles, the first feed gas containing less than about 80 vol% silane, Thermally decomposing in the reaction chamber to deposit a certain amount of silicon on the silicon particles; And
Introducing a second feed gas into the peripheral region of the reaction chamber wherein the concentration of silane in the first feed gas exceeds the concentration in the second feed gas and the concentration of silane in the feed gas fed into the reaction chamber The total concentration is less than about 15% by volume, and the pressure in the reaction chamber is at least about 3 bar.
≪ / RTI >
상기 반응 챔버는 환상 벽(annular wall)을 포함하고, 일반적으로 중심 및 반경 (R)을 갖는 원형 단면을 가지며, 상기 코어 영역은 중심으로부터 약 0.975R 미만, 약 0.6R 미만, 약 0.5R 미만, 약 0.4R 미만, 적어도 약 0.5R, 적어도 약 0.6R, 적어도 약 0.8R 또는 적어도 약 0.9R까지 연장되고, 상기 주변 영역은 상기 중심 영역으로부터 상기 환상 벽까지 연장되는, 방법.The method according to claim 1,
Wherein the reaction chamber has an annular wall and has a generally circular cross-section with a center and a radius, R, wherein the core region is less than about 0.975R, less than about 0.6R, less than about 0.5R, Less than about 0.4 R, at least about 0.5 R, at least about 0.6 R, at least about 0.8 R, or at least about 0.9 R, said peripheral region extending from said central region to said annular wall.
상기 반응 챔버 내로의 도입 전에 상기 제1 공급 기체의 온도는 약 400℃ 미만, 약 350℃ 미만, 약 300℃ 미만, 약 200℃ 미만 또는 약 100℃ 미만인, 방법.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the temperature of the first feed gas prior to introduction into the reaction chamber is less than about 400 ° C, less than about 350 ° C, less than about 300 ° C, less than about 200 ° C, or less than about 100 ° C.
상기 반응 챔버 내로의 도입 전에 제2 공급 기체의 온도는 약 400℃ 미만, 약 350℃ 미만, 약 300℃ 미만, 약 200℃ 미만 또는 약 100℃ 미만인, 방법.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the temperature of the second feed gas prior to introduction into the reaction chamber is less than about 400 占 폚, less than about 350 占 폚, less than about 300 占 폚, less than about 200 占 폚, or less than about 100 占 폚.
상기 제2 공급 기체의 온도는 적어도 약 300℃, 적어도 약 350℃, 적어도 약 450℃, 적어도 약 550℃, 약 300℃ 내지 약 600℃ 또는 약 450℃ 내지 약 600℃인, 방법.5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the temperature of the second feed gas is at least about 300 캜, at least about 350 캜, at least about 450 캜, at least about 550 캜, from about 300 캜 to about 600 캜, or from about 450 캜 to about 600 캜.
상기 유동층 반응기 내의 압력은 적어도 약 4 bar, 적어도 약 5 bar, 적어도 약 10 bar, 적어도 약 15 bar, 적어도 약 20 bar, 적어도 약 25 bar, 약 3 bar 내지 약 25 bar 또는 약 4 bar 내지 약 20 bar인, 방법.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
The pressure in the fluidized bed reactor is at least about 4 bar, at least about 5 bar, at least about 10 bar, at least about 15 bar, at least about 20 bar, at least about 25 bar, from about 3 bar to about 25 bar, bar, method.
소비 기체가 상기 유동층 반응기로부터 회수되고, 상기 소비 기체의 압력은 적어도 약 3 bar, 적어도 약 4 bar, 적어도 약 5 bar, 적어도 약 10 bar, 적어도 약 15 bar, 적어도 약 20 bar, 적어도 약 25 bar, 약 3 bar 내지 약 25 bar 또는 약 4 bar 내지 약 20 bar인, 방법.7. The method according to any one of claims 1 to 6,
At least about 4 bar, at least about 5 bar, at least about 10 bar, at least about 15 bar, at least about 20 bar, at least about 25 bar , From about 3 bar to about 25 bar, or from about 4 bar to about 20 bar.
상기 제1 공급 기체 중 실란의 부피 기준 농도가 상기 제2 공급 기체 중 실란의 부피 기준 농도보다 적어도 약 25% 더 높거나, 또는 상기 제1 공급 기체 중에서의 부피 기준 농도가 상기 제2 공급 기체 중 실란의 부피 기준 농도보다 적어도 약 35%, 적어도 약 50%, 적어도 약 75%, 적어도 약 100%, 적어도 약 150%, 적어도 약 200% 또는 약 25% 내지 약 200%, 약 25% 내지 약 100% 또는 약 50% 내지 약 200% 더 높은 것인, 방법.8. The method according to any one of claims 1 to 7,
Wherein the volume based concentration of silane in the first feed gas is at least about 25% higher than the volume based concentration of silane in the second feed gas, or a volume based concentration in the first feed gas At least about 50%, at least about 75%, at least about 100%, at least about 150%, at least about 200%, or from about 25% to about 200%, from about 25% to about 100 %, Or from about 50% to about 200% higher.
상기 유동층 반응기 내로 도입되는 실란의 적어도 약 4%를 상기 코어 영역을 통해 도입하거나, 또는 상기 유동층 반응기 내로 도입되는 실란의 적어도 약 25%, 적어도 약 50%, 적어도 약 75%, 적어도 약 85%, 적어도 약 95% 또는 약 100%를 상기 코어 영역을 통해 도입하는, 방법.9. The method according to any one of claims 1 to 8,
At least about 25%, at least about 50%, at least about 75%, at least about 85%, at least about 85%, or at least about 80% of the silane introduced into the fluidized bed reactor, At least about 95%, or about 100%, is introduced through the core region.
미립자 다결정 실리콘이 상기 유동층 반응기로부터 회수되고, 상기 미립자 다결정 실리콘의 사우터(Sauter) 평균 직경이 약 600 ㎛ 내지 약 2000 ㎛ 또는 약 800 ㎛ 내지 약 1300 ㎛인, 방법.10. The method according to any one of claims 1 to 9,
Wherein particulate polycrystalline silicon is recovered from the fluidized bed reactor and wherein the particulate polycrystalline silicon has a Sauter mean diameter of from about 600 microns to about 2000 microns or from about 800 microns to about 1300 microns.
상기 반응 챔버 내로 도입된 기체의 평균 체류 시간이 약 20초 미만, 약 12초 미만, 약 9초 미만, 약 4초 미만, 약 1초 미만 또는 약 0.1초 내지 약 20초인, 방법.11. The method according to any one of claims 1 to 10,
Wherein the average residence time of the gas introduced into the reaction chamber is less than about 20 seconds, less than about 12 seconds, less than about 9 seconds, less than about 4 seconds, less than about 1 second, or about 0.1 seconds to about 20 seconds.
반응 챔버 단면 1 제곱 미터 당 적어도 약 150 kg/hr의 실리콘이 상기 실리콘 입자 상에 피착되거나, 또는 반응 챔버 단면 1 제곱 미터 당 적어도 약 250 kg/hr, 적어도 약 300 kg/hr, 적어도 약 500 kg/hr, 적어도 약 700 kg/hr, 적어도 약 1000 kg/hr, 적어도 약 2000 kg/hr, 적어도 약 3000 kg/hr, 적어도 약 4000 kg/hr 또는 약 100 kg/hr 내지 약 5000 kg/hr, 약 250 kg/hr 내지 약 5000 kg/hr, 약 100 kg/hr 내지 약 4000 kg/hr 또는 약 100 kg/hr 내지 약 1000 kg/hr의 실리콘이 상기 실리콘 입자 상에 피착되는, 방법.12. The method according to any one of claims 1 to 11,
At least about 150 kg / hr of silicon per square meter of reaction chamber cross-section is deposited on the silicon particles, or at least about 250 kg / hr, at least about 300 kg / hr, at least about 500 kg at least about 1000 kg / hr, at least about 2000 kg / hr, at least about 3000 kg / hr, at least about 4000 kg / hr or about 100 kg / hr to about 5000 kg / hr, From about 250 kg / hr to about 5000 kg / hr, from about 100 kg / hr to about 4000 kg / hr, or from about 100 kg / hr to about 1000 kg / hr of silicon is deposited on the silicon particles.
상기 제2 공급 기체가 약 15 부피% 미만의 실란, 약 10 부피% 미만, 약 5 부피% 미만, 약 3 부피% 미만, 약 1 부피% 미만, 약 1 부피% 내지 약 15 부피% 또는 약 1 부피% 내지 약 5 부피%의 실란을 포함하는, 방법.13. The method according to any one of claims 1 to 12,
Wherein the second feed gas comprises less than about 15 vol% silane, less than about 10 vol%, less than about 5 vol%, less than about 3 vol%, less than about 1 vol%, about 1 vol% to about 15 vol% By volume to about 5% by volume silane.
상기 제2 공급 기체는 실란 이외의 화합물들을 필수적으로 포함하는, 방법.14. The method according to any one of claims 1 to 13,
Wherein the second feed gas essentially comprises compounds other than silane.
상기 제2 공급 기체는 사염화규소, 수소, 아르곤 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물을 필수적으로 포함하는, 방법.14. The method according to any one of claims 1 to 13,
Wherein the second feed gas essentially comprises at least one compound selected from the group consisting of silicon tetrachloride, hydrogen, argon and helium.
상기 제1 공급 기체는 약 60 부피% 미만의 실란, 약 40 부피% 미만, 약 20 부피% 미만, 약 15 부피% 미만, 약 10 부피% 미만, 약 5 부피% 미만, 약 2 부피% 내지 약 80 부피%, 약 5 부피% 내지 약 80 부피%, 약 5 부피% 내지 약 25 부피% 또는 약 2 부피% 내지 약 20 부피%의 실란을 포함하는, 방법.16. The method according to any one of claims 1 to 15,
Wherein the first feed gas comprises less than about 60 vol% silane, less than about 40 vol%, less than about 20 vol%, less than about 15 vol%, less than about 10 vol%, less than about 5 vol%, about 2 vol% From about 5 vol% to about 80 vol%, from about 5 vol% to about 25 vol%, or from about 2 vol% to about 20 vol% silane.
상기 반응 챔버 내로 도입되는 공급 기체 중 실란의 전체 농도는 약 12 부피% 미만 또는 약 8 부피% 미만, 약 1 부피% 내지 약 15 부피%, 약 1 부피% 내지 약 10 부피%, 약 5 부피% 내지 약 15 부피% 또는 약 10 부피% 내지 약 15 부피%인, 방법.17. The method according to any one of claims 1 to 16,
The total concentration of silane in the feed gas introduced into the reaction chamber may be less than about 12 vol% or less than about 8 vol%, about 1 vol% to about 15 vol%, about 1 vol% to about 10 vol%, about 5 vol% To about 15% by volume, or from about 10% by volume to about 15% by volume.
상기 반응 챔버는 별도의 부분으로 분할되어 있지 않은, 방법.18. The method according to any one of claims 1 to 17,
Wherein the reaction chamber is not divided into separate parts.
상기 유동층 반응기가 반응 챔버 벽과 외부 쉘 사이에 형성된 환상 내부 챔버를 포함하며,
상기 방법은,
상기 내부 챔버 내의 압력을 약 1 bar 초과 및 상기 반응 챔버 내의 압력 미만 또는 적어도 약 5 bar, 적어도 약 10 bar, 적어도 약 15 bar, 약 1 bar 내지 약 20 bar, 약 1.1 bar 내지 약 20 bar, 약 1 bar 내지 약 20 bar 또는 약 5 bar 내지 약 20 bar 및 상기 반응 챔버 내의 압력 미만으로 유지하는 단계를 포함하는 방법.19. The method according to any one of claims 1 to 18,
Wherein the fluidized bed reactor comprises an annular inner chamber formed between the reaction chamber wall and the outer shell,
The method comprises:
At least about 10 bar, at least about 15 bar, at least about 1 bar, at least about 20 bar, at least about 1.1 bar, at least about 20 bar, at least about 20 bar, From about 1 bar to about 20 bar, or from about 5 bar to about 20 bar, and less than the pressure in the reaction chamber.
상기 반응 챔버를 적어도 약 500℃까지, 적어도 약 600℃까지, 적어도 약 650℃까지, 적어도 약 700℃까지, 적어도 약 750℃까지, 약 600℃ 내지 약 800℃로 또는 약 700℃ 내지 약 800℃로 가열하는, 방법.20. The method according to any one of claims 1 to 19,
Up to at least about 500 캜, to at least about 600 캜, to at least about 650 캜, to at least about 700 캜, to at least about 750 캜, from about 600 캜 to about 800 캜, or from about 700 캜 to about 800 캜 ≪ / RTI >
상기 반응 챔버가 코어 영역, 주변 영역 및 공급 기체가 통과하는 단면을 갖고, 상기 유동층 반응기가 반응 챔버 단면 1 제곱 미터 당 적어도 약 100 kg/hr의 다결정 실리콘을 생성하고,
상기 방법은,
실란을 포함하는 제1 공급 기체를 상기 분배기 내로 도입하여 제1 공급 기체를 상기 반응 챔버의 상기 코어 영역 내로 분배하는 단계 - 상기 반응 챔버는 실리콘 입자를 함유하고, 상기 제1 공급 기체는 약 80 부피% 미만의 실란을 함유하고, 상기 분배기 내로의 도입 전 상기 제1 공급 기체의 온도는 약 400℃ 미만이고, 실란이 상기 반응 챔버 내에서 열 분해되어 상기 실리콘 입자 상에 상당량의 실리콘을 피착시킴 -; 및
제2 공급 기체를 상기 분배기 내로 도입하여 상기 제2 공급 기체를 상기 반응 챔버의 상기 주변 영역 내로 도입하는 단계 - 상기 제1 공급 기체 중 실란의 농도는 제2 공급 기체 중에서의 농도를 초과하고, 상기 반응 챔버 내의 압력은 적어도 약 3 bar임 -
를 포함하는 방법.1. A method for producing polycrystalline silicon by thermal decomposition of silane in a fluidized bed reactor having a reaction chamber and a distributor for distributing the gas into the reaction chamber,
Wherein the reaction chamber has a cross section through which the core region, the peripheral region and the feed gas pass, the fluidized bed reactor producing at least about 100 kg / hr of polycrystalline silicon per square meter of reaction chamber cross-
The method comprises:
Introducing a first feed gas comprising silane into the distributor to distribute a first feed gas into the core region of the reaction chamber, the reaction chamber containing silicon particles, the first feed gas comprising about 80 volumes Wherein the temperature of the first feed gas prior to introduction into the distributor is less than about 400 DEG C and the silane is thermally decomposed in the reaction chamber to deposit a significant amount of silicon on the silicon particles, ; And
Introducing a second feed gas into the distributor to introduce the second feed gas into the peripheral region of the reaction chamber wherein the concentration of silane in the first feed gas exceeds the concentration in the second feed gas, The pressure in the reaction chamber is at least about 3 bar.
≪ / RTI >
상기 반응 챔버가 환상 벽을 포함하고, 일반적으로 중심 및 반경 (R)을 갖는 원형 단면을 가지며, 상기 코어 영역은 상기 중심으로부터 약 0.975R 미만, 약 0.6R 미만, 약 0.5R 미만, 약 0.4R 미만, 적어도 약 0.5R, 적어도 약 0.6R, 적어도 약 0.8R 또는 적어도 약 0.9R까지 연장되고, 상기 주변 영역은 상기 중심 영역으로부터 상기 환상 벽까지 연장되는, 방법.22. The method of claim 21,
Wherein the reaction chamber has an annular wall and has a generally circular cross-section with a center and a radius R, wherein the core area has a radius of less than about 0.975R, less than about 0.6R, less than about 0.5R, , At least about 0.5R, at least about 0.6R, at least about 0.8R, or at least about 0.9R, said peripheral region extending from said central region to said annular wall.
상기 분배기 내로의 도입 전에 상기 제1 공급 기체의 온도는 약 350℃ 미만, 약 300℃ 미만, 약 200℃ 미만 또는 약 100℃ 미만인, 방법.23. The method of claim 21 or 22,
Wherein the temperature of the first feed gas prior to introduction into the distributor is less than about 350 占 폚, less than about 300 占 폚, less than about 200 占 폚, or less than about 100 占 폚.
상기 분배기 내로의 도입 전에 상기 제2 공급 기체의 온도는 약 400℃ 미만, 약 350℃ 미만, 약 300℃ 미만, 약 200℃ 미만 또는 약 100℃ 미만인, 방법.24. The method according to any one of claims 21 to 23,
Wherein the temperature of the second feed gas prior to introduction into the distributor is less than about 400 占 폚, less than about 350 占 폚, less than about 300 占 폚, less than about 200 占 폚, or less than about 100 占 폚.
상기 분배기 내로의 도입 전에 상기 제2 공급 기체의 온도는 적어도 약 300℃, 적어도 약 350℃, 적어도 약 450℃, 적어도 약 550℃, 약 300℃ 내지 약 600℃ 또는 약 450℃ 내지 약 600℃인, 방법.25. The method according to any one of claims 21 to 24,
The temperature of the second feed gas prior to introduction into the distributor is at least about 300 캜, at least about 350 캜, at least about 450 캜, at least about 550 캜, from about 300 캜 to about 600 캜, or from about 450 캜 to about 600 캜 , Way.
상기 유동층 반응기 내의 압력은 적어도 약 4 bar, 적어도 약 5 bar, 적어도 약 10 bar, 적어도 약 15 bar, 적어도 약 20 bar, 적어도 약 25 bar, 약 3 bar 내지 약 25 bar 또는 약 4 bar 내지 약 20 bar인, 방법.26. The method according to any one of claims 21 to 25,
The pressure in the fluidized bed reactor is at least about 4 bar, at least about 5 bar, at least about 10 bar, at least about 15 bar, at least about 20 bar, at least about 25 bar, from about 3 bar to about 25 bar, bar, method.
소비 기체가 상기 유동층 반응기로부터 회수되고, 상기 소비 기체의 압력은 적어도 약 3 bar, 적어도 약 4 bar, 적어도 약 5 bar, 적어도 약 10 bar, 적어도 약 15 bar, 적어도 약 20 bar, 적어도 약 25 bar, 약 3 bar 내지 약 25 bar 또는 약 4 bar 내지 약 20 bar인, 방법.27. The method according to any one of claims 21 to 26,
At least about 4 bar, at least about 5 bar, at least about 10 bar, at least about 15 bar, at least about 20 bar, at least about 25 bar , From about 3 bar to about 25 bar, or from about 4 bar to about 20 bar.
상기 제1 공급 기체 중 실란의 부피 기준 농도는 상기 제2 공급 기체 중 실란의 부피 기준 농도보다 적어도 약 25% 더 높거나, 또는 상기 제1 공급 기체 중에서의 부피 기준 농도가 상기 제2 공급 기체 중 실란의 부피 기준 농도보다 적어도 약 35%, 적어도 약 50%, 적어도 약 75%, 적어도 약 100%, 적어도 약 150%, 적어도 약 200% 또는 약 25% 내지 약 200%, 약 25% 내지 약 100% 또는 약 50% 내지 약 200% 더 높은, 방법.28. The method according to any one of claims 21-27,
Wherein the volume-based concentration of the silane in the first feed gas is at least about 25% higher than the volume-based concentration of the silane in the second feed gas, or the volume-based concentration in the first feed gas is at least about 25% At least about 50%, at least about 75%, at least about 100%, at least about 150%, at least about 200%, or from about 25% to about 200%, from about 25% to about 100 % Or about 50% to about 200% higher.
상기 유동층 반응기 내로 도입되는 실란의 적어도 약 4%를 상기 코어 영역을 통해 도입하거나, 또는 상기 유동층 반응기 내로 도입되는 실란의 적어도 약 25%, 적어도 약 50%, 적어도 약 75%, 적어도 약 85%, 적어도 약 95% 또는 약 100%를 상기 코어 영역을 통해 도입하는 것인, 방법.29. The method according to any one of claims 21 to 28,
At least about 25%, at least about 50%, at least about 75%, at least about 85%, at least about 85%, or at least about 80% of the silane introduced into the fluidized bed reactor, At least about 95%, or about 100%, is introduced through the core region.
미립자 다결정 실리콘이 상기 유동층 반응기로부터 회수되고, 상기 미립자 다결정 실리콘의 사우터 평균 직경은 약 600 ㎛ 내지 약 2000 ㎛ 또는 약 800 ㎛ 내지 약 1300 ㎛인, 방법.30. The method according to any one of claims 21 to 29,
Wherein particulate polycrystalline silicon is recovered from the fluidized bed reactor and wherein the mean average diameter of the particulate polycrystalline silicon is from about 600 microns to about 2000 microns or from about 800 microns to about 1300 microns.
상기 반응 챔버 내로 도입된 기체의 평균 체류 시간은 약 20초 미만, 약 12초 미만, 약 9초 미만, 약 4초 미만, 약 1초 미만 또는 약 0.1초 내지 약 20초인, 방법.31. The method according to any one of claims 21 to 30,
Wherein the average residence time of the gas introduced into the reaction chamber is less than about 20 seconds, less than about 12 seconds, less than about 9 seconds, less than about 4 seconds, less than about 1 second, or about 0.1 seconds to about 20 seconds.
반응 챔버 단면 1 제곱 미터 당 적어도 약 150 kg/hr의 실리콘이 상기 실리콘 입자 상에 피착되거나, 또는 반응 챔버 단면 1 제곱 미터 당 적어도 약 250 kg/hr, 적어도 약 300 kg/hr, 적어도 약 500 kg/hr, 적어도 약 700 kg/hr, 적어도 약 1000 kg/hr, 적어도 약 2000 kg/hr, 적어도 약 3000 kg/hr, 적어도 약 4000 kg/hr 또는 약 100 kg/hr 내지 약 5000 kg/hr, 약 250 kg/hr 내지 약 5000 kg/hr, 약 100 kg/hr 내지 약 4000 kg/hr 또는 약 100 kg/hr 내지 약 1000 kg/hr의 실리콘이 상기 실리콘 입자 상에 피착되는 것인, 방법.32. The method according to any one of claims 21 to 31,
At least about 150 kg / hr of silicon per square meter of reaction chamber cross-section is deposited on the silicon particles, or at least about 250 kg / hr, at least about 300 kg / hr, at least about 500 kg at least about 1000 kg / hr, at least about 2000 kg / hr, at least about 3000 kg / hr, at least about 4000 kg / hr or about 100 kg / hr to about 5000 kg / hr, From about 250 kg / hr to about 5000 kg / hr, from about 100 kg / hr to about 4000 kg / hr, or from about 100 kg / hr to about 1000 kg / hr of silicon is deposited on the silicon particles.
상기 제2 공급 기체는 약 80 부피% 미만의 실란, 약 60 부피% 미만, 약 40 부피% 미만, 약 20 부피% 미만, 약 15 부피% 미만, 약 10 부피% 미만, 약 5 부피% 미만, 약 2 부피% 내지 약 80 부피%, 약 5 부피% 내지 약 80 부피%, 약 5 부피% 내지 약 25 부피% 또는 약 2 부피% 내지 약 20 부피%의 실란을 포함하는, 방법.33. The method according to any one of claims 21 to 32,
The second feed gas comprises less than about 80 vol% silane, less than about 60 vol%, less than about 40 vol%, less than about 20 vol%, less than about 15 vol%, less than about 10 vol%, less than about 5 vol% From about 2 vol% to about 80 vol%, from about 5 vol% to about 80 vol%, from about 5 vol% to about 25 vol%, or from about 2 vol% to about 20 vol%.
상기 제2 공급 기체는 실란 이외의 화합물들을 필수적으로 포함하는, 방법.34. The method according to any one of claims 21 to 33,
Wherein the second feed gas essentially comprises compounds other than silane.
상기 제2 공급 기체는 사염화규소, 수소, 아르곤 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물을 필수적으로 포함하는, 방법.35. The method according to any one of claims 21 to 34,
Wherein the second feed gas essentially comprises at least one compound selected from the group consisting of silicon tetrachloride, hydrogen, argon and helium.
상기 제1 공급 기체는 약 60 부피% 미만의 실란, 약 40 부피% 미만, 약 20 부피% 미만, 약 15 부피% 미만, 약 10 부피% 미만, 약 5 부피% 미만, 약 2 부피% 내지 약 60 부피%, 약 5 부피% 내지 약 60 부피%, 약 5 부피% 내지 약 25 부피% 또는 약 2 부피% 내지 약 20 부피%의 실란을 포함하는, 방법.36. The method according to any one of claims 21 to 35,
Wherein the first feed gas comprises less than about 60 vol% silane, less than about 40 vol%, less than about 20 vol%, less than about 15 vol%, less than about 10 vol%, less than about 5 vol%, about 2 vol% 60 vol%, about 5 vol% to about 60 vol%, about 5 vol% to about 25 vol%, or about 2 vol% to about 20 vol% silane.
상기 반응 챔버 내로 도입되는 공급 기체 중 실란의 전체 농도는 약 80 부피% 미만 또는 약 60 부피% 미만, 약 40 부피% 미만, 약 20 부피% 미만, 약 15 부피% 미만, 약 10 부피% 미만, 약 5 부피% 미만, 약 2 부피% 내지 약 80 부피%, 약 5 부피% 내지 약 80 부피%, 약 5 부피% 내지 약 25 부피% 또는 약 2 부피% 내지 약 20 부피%인, 방법.36. The method according to any one of claims 21 to 36,
The total concentration of silane in the feed gas introduced into the reaction chamber is less than about 80 vol%, less than about 60 vol%, less than about 40 vol%, less than about 20 vol%, less than about 15 vol%, less than about 10 vol% From about 5% to about 80%, from about 5% to about 25%, or from about 2% to about 20% by volume.
상기 반응 챔버는 별도의 부분으로 분할되어 있지 않은, 방법.37. The method according to any one of claims 21 to 37,
Wherein the reaction chamber is not divided into separate parts.
상기 유동층 반응기가 반응 챔버 벽과 외부 쉘 사이에 형성된 환상 내부 챔버를 포함하며,
상기 방법은,
상기 내부 챔버 내의 압력을 약 1 bar 초과 및 사기 반응 챔버 내의 압력 미만 또는 적어도 약 5 bar, 적어도 약 10 bar, 적어도 약 15 bar, 약 1 bar 내지 약 20 bar, 약 1.1 bar 내지 약 20 bar, 약 1 bar 내지 약 20 bar 또는 약 5 bar 내지 약 20 bar 및 상기 반응 챔버 내의 압력 미만으로 유지하는 단계를 포함하는 방법.39. The method according to any one of claims 21 to 38,
Wherein the fluidized bed reactor comprises an annular inner chamber formed between the reaction chamber wall and the outer shell,
The method comprises:
At least about 10 bar, at least about 15 bar, at least about 1 bar, at least about 20 bar, at least about 1.1 bar, at least about 20 bar, at least about 20 bar, From about 1 bar to about 20 bar, or from about 5 bar to about 20 bar, and less than the pressure in the reaction chamber.
반응 챔버를 적어도 약 500℃까지, 적어도 약 600℃까지, 적어도 약 650℃까지, 적어도 약 700℃까지, 적어도 약 750℃까지, 약 600℃ 내지 약 800℃로 또는 약 700℃ 내지 약 800℃로 가열하는, 방법.40. The method according to any one of claims 21 to 39,
To at least about 500 캜, to at least about 600 캜, to at least about 650 캜, to at least about 700 캜, to at least about 750 캜, from about 600 캜 to about 800 캜, or from about 700 캜 to about 800 캜 / RTI >
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